荷载水平对长期加载作用下混凝土剩余承载力的影响

于润泽，李 杰，司炳君

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

对于遭受长期荷载作用的混凝土结构，如混凝土大坝，安全壳以及冷却塔等，由于混凝土内部损伤的积累，结构的安全性及服役性受到严重挑战。长期荷载作用下，荷载水平以及加载时间是影响混凝土服役性能的主要因素。一般来说，混凝土在低荷载水平作用下产生线性黏弹性变形，并且在持续加载过程中保持稳定。相对地，高荷载水平作用下，裂缝扩展与混凝土黏弹性相互作用产生非线性变形甚至可能造成混凝土结构破坏[1]。因此，为了更加充分地了解长期荷载作用对混凝土结构的安全性的影响，对长期高荷载水平作用后，混凝土的剩余承载力进行评估是非常有必要的。

在过去的几十年里，关于混凝土徐变行为已进行大量的研究[2-4]。现有的研究主要针对混凝土拉压荷载作用下的徐变变形，主要考虑荷载水平[2]、水泥种类[5]、粗骨料类型[6]以及混凝土强度[7]等对徐变的影响。研究结果表明拉压荷载作用下混凝土的徐变规律类似。在高荷载水平作用下，徐变过程根据徐变速率可分为三个阶段，第一阶段，徐变率逐渐减小；第二阶段，徐变率保持稳定；第三阶段，徐变率快速增加，其中第二阶段徐变持续的时间大概占整个破坏时间的70%，因此研究认为第二阶段徐变速率可以用来预测徐变破坏时间[1]。相对地，在低荷载水平作用下，徐变过程经历第一阶段和第二阶段并不会进入第三阶段。此外，混凝土组成成分的变化对徐变并无明显的影响。目前，对于在弯曲荷载作用下混凝土徐变过程的研究相对较少。而且，这些少量针对混凝土弯曲徐变的研究大多较短时间内完成，如1个月、3个月[8-10]。因此，为了更清楚地了解混凝土在长期荷载作用下的徐变规律，对混凝土进行长期弯曲徐变研究并对长期荷载作用后混凝土的剩余承载力进行分析是非常有意义的。

目前，已有一些学者针对徐变后混凝土的断裂性能进行了研究。Omar等[10]研究了混凝土在80%极限荷载 (Pmax) 持续加载3个月后混凝土的断裂性能。结果表明长期荷载作用后混凝土的断裂能有明显的减小。与伴随试件相比，徐变混凝土的剩余承载力并无明显变化。Saliba等[8-9]对85%极限荷载作用120 d后的混凝土进行断裂特性分析。研究发现持续荷载作用后，混凝土的剩余承载力有一定的增加。这一现象被解释为是由于长期加载过程中混凝土受压区得到强化而引起。此外，Dong等[11-12]、Rong等[13]和吴乔等[14]对不同荷载水平作用1个月和3个月后混凝土的断裂特性进行了研究。结果表明长期荷载作用后混凝土的剩余承载力有较为明显的提高。根据数值分析可知在长期荷载作用过程中，由于应力松弛的发生，混凝土裂缝尖端的应力减小，这造成混凝土剩余承载力的增加。如上所述，目前关于持续荷载作用后混凝土剩余承载力的研究结果并不一致，且持续加载过程均在较短时间内完成。

基于以上分析，为了评估长期荷载作用后混凝土的剩余承载力，本文首先对混凝土梁施加60%极限荷载和80%极限荷载的恒定荷载并进行为期6个月和12个月的长期加载。长期加载试验结束后，对一部分混凝土梁进行静载断裂试验。此外，对在80%Pmax持续加载12个月的混凝土梁进行5 500 N (静载峰值荷载)和6 000 N (1.1倍静载峰值荷载)的持载试验。试验过程中得到在长期加载过程中加载点位移随时间的变化曲线以及混凝土的起裂荷载和极限荷载。最终，对长期荷载作用后混凝土剩余承载力进行评估。

1 试验概况

1.1 试件准备

本文采用尺寸为500 mm ×100 mm×100 mm(长×宽×高)的混凝土梁，初始缝高比为0.3。混凝土的强度等级为C30，其配合比为水泥∶沙子∶石子∶水=1∶ 2∶3.7∶0.6。水泥为P42.5普通硅酸盐水泥，沙子采用最大粒径为5 mm的河沙，石子的最大粒径为10 mm。试件在浇筑24 h后进行拆模，并且放入温度为20℃±2℃，湿度为95%的养护室养护27 d。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[15](GB/T 50081—2002)，采用300 t电液伺服压力试验机测定混凝土基本力学性能参数。其中劈裂抗拉强度试验和立方体抗压强度试验采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，弹性模量试验采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件。混凝土在28 d时的材料参数如表1所示，表中E、ft以及fc分别为弹性模量、抗拉强度以及抗压强度。为了防止在长期加载过程中混凝土水分散失，使用双层锡纸对养护到期的混凝土梁进行密封。与徐变试件同时浇筑、养护、未进行徐变加载的混凝土梁作为伴随试件。

表1 混凝土材料参数

1.2 徐变试验

为了标定徐变过程中施加的恒定荷载，对养护到期的混凝土梁首先进行静载断裂试验，三组试件的平均极限为4 021 N。徐变试验在温度为20℃±2℃、湿度为50%的恒温恒湿试验室内进行。混凝土梁在自制的徐变加载架进行长期加载，加载装置如图1所示。荷载传感器及显示器与加载架连接，通过旋转加载架上的螺杆调节施加在混凝土梁上荷载的大小。在本试验中施加60%Pmax(60%×4 021=2 400 N)和80%Pmax(80%×4 021=3 200 N) 两种荷载水平，并且持续加载6个月和12个月。需要说明的是，在静载断裂试验中混凝土梁的起裂荷载均值为2 644 N(约65.7%Pmax)。因此认为混凝土梁在加载60%Pmax时并未起裂，而在80%Pmax作用下，混凝土已经起裂。在徐变过程中，使用千分表对混凝土加载点位移进行监测。由于混凝土变形的增加，持载过程中荷载值会随时间的增加逐渐小，当荷载减小超过2%，则通过转动螺杆进行补载使荷载保持稳定。

图1 徐变加载装置图

1.3 断裂试验

徐变试验结束后，将混凝土梁从加载架取出并进行静载三点弯断裂试验。断裂试验在25 t伺服万能材料实验机上进行，加载过程采用位移控制，加载速率为0.036 um/min。试验过程中，使用夹式引伸仪测量混凝土梁的加载点(δ)以及裂缝口张开位移，如图2 所示。

图2 三点弯加载装置图

对于伴随试件及60%Pmax作用后的混凝土梁，为了得到试件的起裂荷载，四个应变片分别粘贴于试件前后面距离裂缝尖端5 mm处。在加载过程中，随着荷载的增加，裂缝尖端弹性应变能逐渐增大引起应变值的增大。当缝尖起裂后，弹性应变能释放造成应变值快速减小[16]，据此可判定起裂荷载的数值。

2 试验结果与讨论

2.1 荷载水平对徐变变形的影响

图3 所示为混凝土梁在60%Pmax和80%Pmax作用下，加载6个月和12个月过程中加载点位移随时间的变化曲线。混凝土梁在持载过程中均未发生破坏，徐变经历第一阶段与第二阶段，未进入第三徐变阶段。试件在60%Pmax荷载作用下，加载点位移在加载初期快速增加，后逐渐趋于稳定且加载点位移几乎不再增加，徐变近似为线性变形。相对地，混凝土梁在80%Pmax荷载作用下，加载点位移变化规律与60%Pmax作用下类似。但在持载过程中，加载点位移仍然有一定的增长，徐变过程明显为非线性徐变。这表明混凝土梁在80%Pmax作用下，裂缝已经扩展并且与混凝土黏弹性相互作用产生非线性徐变。此外，试验结果也表明在持续荷载作用下即使有裂缝扩展，混凝土也有可能保持稳定不发生破坏。

图3 长期荷载作用下加载点位移随时间变化曲线

2.2 徐变对混凝土断裂性能的影响

徐变试验结束后，混凝土在静载条件下加载到破坏。试验结果见表2，Pini、Pmax、Sc和Gf分别为起裂荷载、剩余承载力、临界裂缝口张开位移和断裂能。60%-6和80%-6分别代表混凝土试件在60%Pmax和80%Pmax荷载作用下持续加载6个月。60%-12表示混凝土试件在60%Pmax荷载作用下持续加载12个月。由表可见，与伴随时间相比，徐变后混凝土的Pini及Pmax均有明显的增加。对于80%Pmax作用下的试件，由于混凝土在持载过程中已经起裂，因此在静载断裂试验中并未得到起裂荷载。此外荷载水平越高，混凝土梁的剩余承载力越大。如徐变6个月后，伴随试件，60%Pmax和80%Pmax徐变试件的平均剩余承载力分别为5 113 N，5 308 N以及5 661 N。Dong等[12]研究表明在徐变过程中，由于应力松弛，混凝土梁缝尖的应力明显减小。徐变试验结束后，在进行静载断裂试验的过程中，缝尖减少的应力需要填补才能驱使裂缝扩展，这造成徐变试件起裂荷载和剩余承载力的提高。此外，根据试验测得的结果可知徐变对临界裂缝口张开位移Sc并无明显的影响。

混凝土断裂能是评估混凝土承能力的重要参数，根据试验得到的荷载-位移曲线和线弹性断裂力学方法可以得到混凝土梁的断裂能[17]为：

(1)

式中：Alig为韧带面积；W0和δ0分别为三点弯曲梁试验中P-δ曲线包围的面积和P-δ曲线中最大的加载点位移，mg为三点弯曲梁的自重；b、d分别为试件的宽、高。计算结果如表2所示。由表可见长期荷载作用及不同荷载水平对混凝土断裂能并无明显影响。

对80%Pmax持载12月后的混凝土梁分别进行5 500 N (伴随试件极限荷载)和6 000 N的持续加载试验，试验结果如图4所示。图4(a)为在5 500 N荷载作用下的荷载-时间曲线。可以看到混凝土梁在5 500 N荷载作用下维持稳定约22 000 s(6 h 10 min)后进入失稳破坏。混凝土梁在6 000 N荷载作用下维持稳定5 200 s(1 h 24 min)后发生破坏，如图4(b)所示。可以看到随着荷载水平的增大，混凝土梁的失效时间逐渐减小。试验结果也同样表明混凝土在徐变加载后，剩余承载力提高较为明显。

表2 三点弯曲梁试验结果

图4 持续加载荷载-时间曲线

3 结 论

为了研究徐变对混凝土剩余承载力的影响，混凝土梁在60%Pmax和80%Pmax作用下进行6个月和12个月徐变试验。徐变试验结束后，混凝土梁加载到破坏。根据试验结果，对徐变过程中荷载水平对混凝土徐变变形的影响以及徐变后混凝土起裂荷载，剩余承载力，起裂断裂韧度以及断裂能的变化进行讨论。根据试验结果，可以得到以下结论：

(1) 低荷载水平作用下，混凝土梁加载点位移在加载初期快速增加，后逐渐趋于稳定几乎不再增加，徐变近似为线性变形。在高荷载水平作用下，加载点位移在加载初期快速增加，并且在持载过程中仍然有一定的增长，徐变过程明显为非线性徐变。

(2) 由于徐变过程中缝尖的应力松弛，混凝土的起裂荷载及剩余承载力均有明显提高。且荷载水平越高，徐变混凝土起裂荷载及剩余承载力提高越明显，此外，徐变对临界裂缝口张开位移及断裂能无明显影响。

(3) 徐变后的混凝土在高荷载水平作用下具有一定持载能力。80%Pmax持载12个月后的混凝土梁在静载极限荷载作用下可以保持稳定22 000 s，在1.1倍静载极限荷载作用下可以保持稳定5 200 s。